BIM技术在暖通设计中的应用分析

文／张永飞 深圳市方佳建筑设计有限公司沈阳分公司 辽宁沈阳 110000

引言：

暖通空调控制系统是指在居室及汽车从事供暖、通风技术和空气调节工作的控制系统及有关装置。暖通空调的三种主要功能是供暖、通风技术和空气调节工作，均具有相互交叉关系,其目的是在合理的布置、运行和维护成本下,创造适宜室温和适宜的室内空气品质。暖通空调控制系统的设计目的是为了构建有利于人体生活的居室或人工环境。利用供暖空调控制系统可调节室内空气的温和湿度,从而改善室内环境舒适性。但由于以往的建筑工程暖通设计中,方案大多采用二维图纸方法表现,并且要经过大批技术参数的测算,由于设计师精力有限,难免会存在设计错漏碰缺和现场施工净高不足等实际存在问题,对项目质量和造价成本的管控力度效果也不佳。而通过使用BIM技术,可以有效缓解相关问题。

1、BIM 技术概述

BlM是指工程建设信息系统的建模，采用三维数字技术为基本，整合了工程项目中所有有关信息系统的工程技术数据模式，是对工程项目基础设施实体结构和功能特征的数字化表述。既是一种相互共享的工程技术知识资料,又是一种相互共享相关信息，并为该基础设施在从设计概念到拆除过程的整个生命周期中的各种决定提供了可靠基本的信息过程。在工程项目的各个阶段、各种利益关联方，通过从BlM中插入、获取、变更和调整工程建设信息系统,都能够为其相应工作的协调作业提供保障和反应。BlM技术作为一种新型的技术手段,已在当前中国国内建筑行业中获得了较为普遍的运用,其中暖通空调设计就是BlM技术运用的一个经典领域。

2、BIM技术内涵且在建筑物暖通工程设计中的应用优势

BIM理念是在一九七五年由美国人提出的,之后通过持续地研发技术创新,将BIM信息技术运用工具从以往的抽象理论变为了具象运用工具。现在BIM的技术我国用语也叫做建筑物信息模型。在建筑物暖通设计中,关于BIM信息技术的利用主要依靠各种大数据分析信息系统为基础,形成的信息系统模式,实际使用中具有仿真性、优化性、协调度、数据分析信息可视化、互动性、可出图性、功能完备性和信息系统数据一致性等特征。在新信息技术社会时代背景下,在建筑工程中为达到对BIM信息技术的更有效利用,就必须对其进行进一步的研究,以有效扩大技术运用范畴。

现今由于国家经济与科技的持续发展,大批人进入城市生活工作,同时人民生活质量的持续改善,对物质需求质量不断提升,将有效推动建材行业的发展。但面临着巨大的市场需求,需要在建筑行业中改变以往的设计与施工管理模式,加快数字化转变,在建筑中运用大量信息化,以此达到施工品质的提升和施工周期的减少。在施工中暖通空调属于关键的一环,而施工设计环节则属于暖通施工开展的基石,所以,必须提高供暖工程设计的规范化、合理化、科学化。在暖通设计中积极运用BIM技术,首先可以在工程规划发展阶段,运用仿真特性、可视化优点建立暖通设计模式,能够直接地看到在总体设计方案中出现的问题和与其他专业领域的碰撞问题,也可以在暖通空调安装施工之前制定最优化的设计方案。此外,在现实的暖通工程建设中难免会受到各种因素负面影响,而必须改变方案。通过常规的工程设计方法要求实施大规模的建筑图纸变更,不但提高了暖通系统造价成本,同时拖延了建设周期。但是通过利用BIM工程技术,在设计发生变更情况时,就可以运用BIM工程技术,更快速地发现问题所在,并及时地制定变更方法,从而有效节约了变更设计的消耗时间。最后,通过运用BIM通空调工程建设中必须使用大量的机械设备和运输管线,机械设备和管线选型对暖通空调系统运行品质和工程造价产生深远的影响,能够根据建筑暖通空调系统的用水量、扬程等参数需求合理选用水泵、电机等管路类型,并根据实际施工实践合理测算相应建筑材料、机械设备的数量,在符合建筑暖通空调系统工程设计要求的基础上,有效控制了造价的成本,从而达到施工单位效益的显著提高。

3、BIM技术在建筑暖通设计中运用存在的问题

3.1 BIM技术存在应用风险

从上文可以得知,BIM科技在建筑物暖通工程设计中的意义相当重要,有很大的使用价值与实际意义。不过,目前BIM科技的发展还不够完整,面临着一定的立法应用经营风险,一般集中在立法、科技、成本管理等三个方面。首先,BIM科技在建筑物暖通设计中的巨大法律风险。究其原因,由于BIM技术在中国处于开发初期,相应的法律规定并没有完善,还存在着一定法律问题。在此情形下,如果建筑工程暖通设计使用了BIM方法,就很易发生法律纠纷,从而干扰了工程暖通设计的正常发展。第二,BIM技术在施工暖通设计中的技术问题。究其原因,建筑暖通设计员并没有专门的BIM技术运用能力,也无法从实践中入手,设计方案出现了很多的问题,并严重脱离了现实。在此情形下,由于施工暖通设计员没有实际技能,导致工程设计方案缺少实操性,无法获得客户的肯定与支持,影响了工程中暖通空调施工的经济性。第三，BIM信息在建筑物暖通工程中的成本管理控制风险。究其原因,由于BIM建筑设计是前沿的科学技术,对硬件设备的需求非常高,因此必须做好设备的采购与更新,赋予了建筑物暖通设计更多的生产成本与压力。在此情形下,建筑物的暖通设计若没有运用好BIM建筑设计,将产生巨大投资成本的耗费。

3.2 BIM技术存在应用挑战

建筑暖通设计人员越来越注重于对BIM技术的研究与运用,使得BIM技术的发展速度提高,并呈现出了良好的发展潜力与发展前景。不过,BIM技术在建筑暖通设计中有不少挑战,主要集中在人才、管理等二个方面。首先,BIM技术在建筑暖通设计中的人才挑战。具体表现而言,建筑设计暖通施工的设计技术人员,往往很难投资足够的资金与力量掌握BIM技能,在实际操作中也不能实现对BIM技能的顺畅运用;建设暖通空调工程项目中忽视了对BIM人员的吸纳与培训,既没有在新设计人才的招募中增加对BIM技能需求,也没有对已有的新设计人才开展专业技能培养与专项提升;建筑设计人才也缺乏通过BIM技能,以实现更有效的信息共享与沟通,建设暖通空调工程项目中缺乏良好的信息沟通机制。其二,BIM信息技术在施工供暖建筑设计中的管理技术挑战。具体表现而言,建筑设计企业施工暖通工程设计时已经基本意识到了BIM信息技术的重要性,但并未建立具体实施的工作过程,因此经常出现设计工作问题;当前的BIM开发技术软件系统还没有完全系统化,所以建设暖通空调工程设计在大量使用BIM技术开发的工程项目中,必须解决很大的BIM技术开发软件系统管理难度;而建设暖通空调工程设计中对BIM技术开发的研究与运用也需要大量资金投入支撑,所以建设暖通设计中常常存在着资金不足的局势。

4、建筑暖通设计中BIM技术的应用

4.1 前期准备

进行施工暖通设计时,设计人员需要根据实际施工情况运用BIM技术有效测算,并分析拥有条件、施工要求,确定设计方案,然后再根据施工单位的资质、资源状况和生产经营条件合理调整设计的资金投入方法,以提高施工暖通设计经济效益,从而减少现场施工中存在困难,提高暖通设计的施工质量。此外,设计工作人员还需要在运用BIM技术实施暖通设计时不断总结相关经验,在其他施工暖通设计时为线路布置、数据标注等提供技术基础。最后,在运用BIM技术进行施工及暖通设计时,工程设计人员还必须与其他相关专业工程的设计人员进行积极地沟通交流,以探讨设计方案中的技术缺陷,提升工程风险防范效率,并在施工中进行技术交底工作。

4.2 建立模型

在建筑物暖通工程设计中,由于使用BIM科技可以更直接表现机械设备的规格、管道规格、管线由等,这样就使得相关工程技术人员所建筑设计的方法可以与建筑物实际需要保持一致。同时三维模型也必须与二维平面的设计参数保持一致,以避免与操作环境产生偏差。建筑会产生消防水管、风机、中央空调管道、电气桥架等大批管线,其中在廊道和机房处会更为繁杂。在施工暖通设计中运用了BIM施工技术,就可以高效处理管道线路工程设计中存在问题,从而保证了设计方案的规范化、科学化,节约项目施工时间,提高了设计效果,有效控制了施工成本。

4.3 设计计算

BIM科技应用的最大优点,就是可以使建筑物供暖工程设计的方法更加三维化、可视化。在建筑设计时,工程设计人员往往需要根据当地气候变化、建筑物特点,综合考虑冷暖热源和管线自由方案。在以往的供暖工程设计中,往往需要对建筑物暖通空调的冷热负荷加以核算,计算主要依赖工程设计人员在二维图中按照建筑物空间格局和房间功用实行热负荷测算,但由于设计人精力有限,难免会发生计算结果偏差。而在建筑物暖通设计中可以运用BIM科技三维模型化,在当中添加气候、空气数据分析,形成四D模式,通过分楼面、分体系、分型号将各种数据分析信息统计分析成为报告资源,减少了总体的工程设计方法变更概率,从而做到了有效、合理安装。比如中国北方建筑物暖通控制系统方案设计,由于中国北方建筑物大多需要冬暖夏凉,同时,由于中国冬天气温比较低,对供热负荷量需求也很大，所以,在开展建筑物暖通设计工作时,有关工程技术人员就必须对建筑物的通风状况做出合理测算,并通过运用BIM等信息技术保证测算数值的一致正确性。主要过程是先测算建筑窗户全部开启状况下风流通速率,并检测室内外气温与相对湿度,比较相同调风状况下相同风速等级数值之间的差距。在建筑工程暖通设计过程中单一采用BIM信息技术进行的参数运算工作就比较复杂,因此,在实际工作中有关工程技术人员就必须主动使用其他信息技术辅助运算工作,将实际数据代入运算程式,再自行计算所需数值。

4.4 场地环境分析

在施工暖通设计中受到建筑物内外的各种因素直接影响,所以,暖通设计时需要对直接影响的各种因素做出全方位综合分析。施工暖通设计中必须坚持实事求是原则,对建设施工现场环境的影响各种因素做出全方位综合剖析。使用BIM技术,在施工暖通设计的环境因素分析中,主要涉及到声环境和风环境的影响。利用测量施工现场风压和风力,构造施工暖通空调模型,仿真在大风环境下施工状况,避免出现滞风、涡流等情况。此外,由于利用BIM技术获取噪声数据,解析建筑物噪声调性范围和程度,从而工程设计更适合于住宅的暖通设计方案。对暖通设计方案合理性评估也可通过考察噪音。大多数建筑都对噪音面临着严格要求,所以在暖通系统设计阶段需要有关技术人员积极运用BIM技术精确、严谨地解析数据,工程设计的科学化、合理性方案。

4.5 空间检查

建筑物空间检测首先根据建筑设计、构造、给排水管、电力、暖通等专业技术图样,建立三维空间模式,再根据建筑物各个区域净高特点,优化机电管道排布会方案设计,对建筑物的竖向设计空隙经过检测分析后,在不出现事故的技术基础上,通过运用BIM软件系统调节各专业方向的管道排布会,以最大限度地增加建筑物净空标高。然后,再根据排布会方案设计编制冲突检测报告和管道综合优化报表,在施工之前做好技术交底,以防止工程设计问题传导到施工。最后,将模块导入到Navisworks、Lumion、Fuzor等可视化的BIM软件系统中,提供各种三维空间视图模型、各视角的剖切视频、高度真实渲染图像和漫游视频动画,以丰富视觉环境,从而实现更高效的设计方案验证及与外部交流,大大地提高建筑物的暖通设计品质。

4.6 暖通风系统、给水系统和消防排烟设备系统

建筑的室内通风方法。建筑的通气方法主要可分成机械通风或称强迫通风和自然通风二种。机械通风或强制通气都是指使用机械设备进行通气,用直接导入外部室内空气的方法维持内部室内空气质量,以降低室内空气中的湿气、臭味和污染,但是若外部的空气相对湿度比较高时,还需用额外的能量去除直接导入室内空气中的湿气。自然通风,是指一个建筑的内部通风不借由风机或其他设备,可开启的门窗是最简易的天然通风设备。风管系统设计，联系各风口段和发电机组,并描绘整个系统轴测图,以标明各段尺寸和风量。在布局风机控制系统时,应当充分考虑下列各种因素:尽可能简化管路,简化分支管路、尽量减少繁杂的局部结构、恰当的管理与空调给水控制系统、消防水管控制系统和其他管路系统之间的关系。相对来说,管路型的新风控制系统因为工作量较大更适宜工业生产和大规模办公室的应用,而无管路型新风控制系统则由于设计方法简单,更适宜家居应用。新风系统是通过在封闭的房间内一边用专门装置向房间内输入新风,而后再在另一侧由专门装置直接向室内外排除,在房间内中会产生新风流动场,因而达到了房间内新风换气的要求。中央空调系统新风量主要是指用于提高空调室内气流品质,所必须送入定量的室内外清洁气流，它的高低也与室内空气品质和能量消耗直接相关。新风量送入的准则:符合良好卫生环境、补贴局部通风量、维护房间内的正压需求、商业中央空调控制系统的新风量指标。而工业空调控制系统的新风量指标应补偿排风或者维护房间内正压所需风速,与保护工作人员所需求最小新风量二者中的最大，一般不低于30m3/(人h)。工业排风系统,排风系统指企业为了避免机器设备在生产工作过程中所生成的危害物对厂房空气形成环境污染,而经常采用排气罩或吸风口就地将危害物加以收集,并通过管路直接送入空气净化装置中加以处置,在达到排出标准后,再回用或进入工厂大气。经济上考虑,用管路联成整体,形成局部的排风体系,全部系统共用同一套空气净化装置和风机。在局部通风中,要实现对有害物的有效捕集作用,就需要局部通风控制系统能按各装置所需要的最大局部排风量排风。通风系统设计一般地下变电所设有单独的机械设备进风、排风口控制系统,总通气率按设备发热量推算,总换气频次不低于12次/h;一般地面式水泵房、制冷机房、换热机房等均采用单独的机械设备进风口控制系统和机械设备通气控制系统,并设有高温再热器直达地面。厨房包括局部排风和全部排风,换气频次按40次/h～60次/h计,并留出竖井至楼顶以及设备层排水,在排出前配备了油烟净化设备。此外地下厨房还配置了事故通气(12次/h)和排烟控制系统。地下部车辆库装有机械排风(兼排烟)控制系统,风速按六级/h计量,而平时在地下室一层补风则尽量采取单车道自然进风的方法。无车道进风要求的消防分区以及地下室2层、地下室三楼车库,采取了机械补风的多种形式。

结语：

综上所述,在现阶段,对建筑的暖通设计要求正在逐步提高,但实际施工前仍需要确保设计的科学化、合理化。在实际工程设计阶段,通过运用BIM技术可以显著提高工程设计品质与效果。运用三维模拟、仿真分析、可视化数据分析等技术手段,对传统暖通设计中出现的不合理、不科学等问题加以改变,并以此达到设计的经济效益、可行性。由此可见,BIM技术对提高建筑施工的品质与效益起到了积极影响,而为了达到BIM技术的广泛应用,企业需要加大信息宣传,进而实现在建筑行业的蓬勃发展。